采煤工作面過陷落柱深孔預裂爆破技術的應用研究

池津維

（中煤科工能源科技發展有限公司，北京 100013）

1 工程概況

新元煤礦主要開采3#煤，煤層平均厚度2.05 m，整體賦存穩定，結構簡單，屬中灰、低硫的優質貧瘦煤，內生裂隙發育，煤層中含1～2層泥質夾矸，厚度一般為0.02～0.10 m。煤層頂底板結構見表1。

表1 煤層頂底板結構

3405工作面處于一水平4采區，工作面標高612.8～717.4 m，埋藏深度366.0～438.7 m。工作面走向長240 m，傾斜長1825 m。工作面北部為礦界；南鄰西回風大巷（北）、西輔運大巷、西膠帶大巷；西部未布置巷道；東部為3406掘進工作面。3405工作面在推進過程中遭遇了巖性為粉砂巖的YX3陷落柱，其堅硬程度較高且侵入工作面的范圍較大。根據現場實測，YX3陷落柱侵入工作面的寬度為37.5 m，沿推進方向的長度達到了99 m，對工作面的正常回采影響較大。因此，設計采取深孔預裂爆破技術保證工作面安全通過陷落柱[1-4]。

2 擴裂彈體與裝藥器的設計

深孔預裂爆破取得良好效果的關鍵，在于炸藥包能否順利送入孔內起爆的指定位置。煤礦爆破普遍采用的乳化炸藥柔性較大，不易順利送入孔內。由于3405工作面YX3陷落柱內多為粉砂巖，硬度較高，因此鉆孔成形較差，孔內不平直。另外，在鉆孔形成后，孔內的巖粉也較難清洗。以上的問題導致了裝藥包的過程中易發生藥包破損或堵塞，導致鉆孔裝藥不連續，進而影響了爆破效果。因此，設計了擴裂彈體與新型裝藥器，以保證裝藥質量。

2.1 PVC管組合式擴裂彈體

該擴裂彈體由PVC管組合裝配形成，管壁厚為1.6 mm，外徑為60 mm，可裝1000 mm長、3.10 kg重的炸藥，結構如圖1。為了使彈體順利推入孔內，將彈體的最前端做成光滑的錐形結構。各擴裂彈體之間均采用絲口連接，出現堵孔時可以承受推拉，并且可以保證藥包之間的爆炸連續性，防止出現藥包失爆現象。另外，PVC材料的阻燃性和密閉性較好，可以保證炸藥在井下潮濕、高瓦斯的環境下保持穩定性，可以滿足井下深孔爆破作業的需求。

2.2 裝藥器的設計

由于爆破孔的長度較大，采用的裝藥結構應具有強度和剛度大、重量較輕的特點。基于此，設計了新型裝藥器，如圖2。該裝藥器為鋁合金制成管狀結構，其抗拉強度達到了249 MPa，每根裝藥管長度為2 m，壁厚3 mm，外徑38 mm，可以將藥包順利送入孔內的指定位置。另外，各裝藥管的連接處均為中空設計，便于在裝藥前對孔內進行清洗。

3 深孔預裂爆破工藝

3.1 爆破參數確定

根據3405工作面的工程地質條件，利用LSDYNA顯示動力分析程序模擬分析不同直徑藥包下的爆破擴散半徑。陷落柱內粉砂巖的物理力學參數見表2。

表2 粉砂巖物理力學參數

不同直徑藥包爆破后的裂縫擴散形態如圖1。藥包爆炸后形成的沖擊波接觸到孔壁后，轉化為呈同心圓形態的應力波在巖體內向外傳播。隨著傳播距離的增大，巖石破壞所吸收的能量增加，應力波也逐漸衰減。通過模擬結果可知，爆破后裂隙的擴散半徑約為藥包半徑的30倍，且裂紋的發育程度有利于采煤機組的順利通過。

圖1 不同藥卷半徑下的裂隙擴展形態

在模型的巖體內，距爆破孔中心50 cm處每隔50 cm布置一個應力測點，共布置4個，分別記為A、B、C、D四個點，如圖2。

圖2 應力測點位置

將4個測點的應力值隨時間的變化繪制成曲線，如圖3。由結果可知，隨著距炮孔中心距離的增加，測點的應力峰值逐漸減小。炮孔周圍巖體的受力特性表現為先壓后拉，且壓應力峰值的絕對值要遠高于拉應力峰值的絕對值。

圖3 測點應力—時間變化曲線

六種藥包直徑下的裂隙最大擴展半徑見表3。將表3中的數據進行線性回歸擬合，得出的回歸方程R2達到了0.994，如圖4。根據線性回歸方程可以預測出，當藥卷直徑為62 mm時，爆破后的裂隙擴展直徑可達2011 mm，3405工作面為2.7 m，根據以往工程經驗可知，直徑62 mm的藥包可以滿足采煤機正常通過陷落區，鉆孔均布置在工作面采高的中間位置。

表3 裝藥半徑與裂隙半徑統計

圖4 裝藥半徑與裂隙擴展半徑線性擬合

爆破炮眼在3405輔運巷主幫上沿工作面推進方向布置，起始炮眼距工作面10.56 m，炮眼間距為2.5 m，共計布置長度為85 m，炮孔深度控制在6～35 m之間。炮眼布置如圖5。

圖5 炮眼布置圖（m）

為了保證工作面安全，所有炮眼均為正向裝藥，單次爆破總藥量不超過180 kg，各起爆雷管采用毫秒微差起爆方式連接，分批次爆破。具體爆破參數見表4。

表4 深孔爆破具體參數表

3.2 炮眼填塞工藝

深孔爆破能否在確保安全的前提下達到預期效果與填塞工藝的好壞也有直接關系。根據陷落柱的巖性及炮孔參數，結合以往的工程經驗，采用的封孔炮泥中，黃土與砂的比例應為3:1，封孔炮泥為圓柱形，高度為150 mm，直徑為62 mm。封孔長度L可由下式計算得出：

L≥cR/2λμ

式中：R為爆破孔半徑，取30 mm；c為綜合影響因素，取1.5；λ為側壓系數，取0.2；μ為摩擦因數，取0.02。

經計算得出封孔長度L≥5.6 m，為安全起見，封孔長度取為6 m。

4 現場應用效果分析

在現場進行深孔預裂爆破后，對爆破效果進行了統計，所有爆破均未出現失爆或沖孔現象。在3405工作面通過YX3陷落柱之前，先通過了巖性同為粉砂巖的X205陷落柱，由于未采取深孔預裂爆破技術，采煤機在X205陷落柱累計推進30.6 m，損耗截齒401把，平均每推進1 m，截齒消耗13.10把，工作面平均推進速度為3.81 m/d。在工作面YX3陷落柱區域實施了深孔預裂爆破技術后，累計推進85 m，截齒共損耗264把，平均每推進1 m，截齒消耗3.11把，工作面平均推進速度為5.02 m/d，截齒平均消耗量降低了76.3%，工作面推進速度提升了24.1%。

5 結論

（1）針對陷落柱內為高硬度巖體，設計了PVC管組合的新型擴裂單體，可以將藥包順利送入指定深度，并配合鋁合金管裝藥器保證了藥的連續性。

（2）利用LS-DYNA軟件模擬了爆破裂隙擴展半徑與藥包半徑間的關系，得出藥包直徑62 mm時可以滿足需求，并確定出封孔長度為6 m，炮孔間距為2.5 m。根據現場實際情況制定了各炮孔的具體爆破參數。

（3）現場試驗表明，采用深孔預裂爆破技術后，工作面通過陷落柱時，截齒的平均消耗量降低了76.3%，工作面的推進速度提升了24.1%，取得較好的應用效果。